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Argón 40, un gas prisionero de la lava
El método del potasio-argón se utiliza con frecuencia para datar flujos de lava cuya edad oscila entre un millón y mil millones de años. Cuando un átomo de potasio 40 se descompone en argón 40, el átomo de argón producido queda atrapado por la estructura cristalina de la lava. Sólo puede escapar cuando la roca está en estado fundido, por lo que la cantidad de argón fosilizado presente en la lava permite a los científicos datar la edad de la solidificación.
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El potasio 40 es un radioisótopo que puede encontrarse en cantidades ínfimas en el potasio natural, está en el origen de más de la mitad de la actividad del cuerpo humano: sufre entre 4 y 5.000 desintegraciones cada segundo para un hombre de 80 kilos. Junto con el uranio y el torio, el potasio contribuye a la radiactividad natural de las rocas y, por tanto, al calor de la Tierra.
Este isótopo constituye una diezmilésima parte del potasio que se encuentra en la naturaleza. En términos de peso atómico, se encuentra entre dos isótopos más estables y mucho más abundantes (potasio 39 y potasio 41) que constituyen el 93,25% y el 6,73% del suministro total de potasio de la Tierra, respectivamente. Con una vida media de 1.251 mil millones de años, el potasio 40 existió en los restos de estrellas muertas cuya aglomeración ha dado lugar al Sistema Solar con sus planetas.

Los dos canales de desintegración del potasio 40
El esquema de desintegración del potasio 40 es inusual. La energía másica del átomo está por encima de las de sus dos vecinos en la familia de los átomos con 40 nucleones en su núcleo: Argón-40 con un protón menos y calcio-40 con un protón más. El potasio-40 tiene dos canales de desintegración abiertos. El canal de desintegración beta-minus que conduce al calcio_40 es, con mucho, el más frecuente, pero las desintegraciones que conducen al argón-40 por captura electrónica se producen en una proporción del 11 %. También es destacable la larguísima vida media de 1.251 millones de años, excepcional para una desintegración beta. Esto se explica por un gran salto en la rotación interna (o espín) del núcleo durante la desintegración, que casi impide que la transición sea especialmente difícil, por lo que la hace extremadamente lenta.
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El potasio 40 tiene la inusual propiedad de decaer en dos núcleos diferentes: en el 89% de los casos la desintegración beta-negativa dará lugar al calcio 40, mientras que el 11% de las veces el argón 40 se formará por captura de electrones seguida de emisión gamma a una energía de 1.46 MeV.
Este rayo gamma de 1,46 MeV es importante, ya que nos permite identificar cuándo decae el potasio 40. Los electrones beta que conducen al calcio, sin embargo, no van acompañados de rayos gamma, no tienen energías características y rara vez salen de las rocas o cuerpos que contienen potasio 40.
La desintegración beta-minus indica un núcleo con demasiados neutrones, la captura de electrones un núcleo con demasiados protones. ¿Cómo puede el potasio 40 tener simultáneamente demasiados de ambos? La respuesta revela una de las peculiaridades de las fuerzas nucleares.

Del potasio 40 al argón 40
La captura de electrones que hace que el potasio 40 se transforme en argón 40 en su estado básico sólo tiene lugar en el 0,04% de los casos. Con mucha más frecuencia (10,68% de las veces), una captura indirecta da lugar a un átomo de argón excitado que debe volver a su estado básico emitiendo un rayo gamma con una energía de 1,46 MeV. Sin este rayo gamma característico, sería imposible detectar e identificar la desintegración del potasio 40. Los neutrinos emitidos en estas capturas desafían la detección. Los electrones beta de la desintegración del calcio 40 (89,3% de las veces) no van acompañados de rayos gamma, y generalmente son absorbidos por el medio en el que se encuentran.
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Los núcleos estables se encuentran en el fondo del llamado «valle de estabilidad», un concepto que ayuda a determinar si un núcleo es radiactivo o no. El potasio 40 debería estar en el fondo de este valle y debería ser el más estable de los núcleos que contienen 40 nucleones. Sin embargo, su energía de masa (o energía interna) es en realidad mayor que la de cualquiera de sus vecinos: el calcio 40 y el argón 40. Esta diferencia es suficiente para que el potasio 40 sea inestable. La razón es que a los protones, al igual que a los neutrones, les gusta existir en pares en un núcleo. El potasio 40 contiene un número impar de ambos: 19 protones y 21 neutrones. En consecuencia, tiene un protón soltero y un neutrón soltero. Sin embargo, tanto en el argón 40 como en el calcio 40, el número de protones y neutrones es par, lo que les confiere esa estabilidad adicional.
La lentísima desintegración del potasio 40 en argón es muy útil para datar rocas, como la lava, cuya edad oscila entre un millón y mil millones de años. La desintegración del potasio en argón produce un átomo gaseoso que queda atrapado en el momento de la cristalización de la lava. El átomo puede escapar cuando la lava aún está líquida, pero no después de la solidificación. En ese momento, la roca contiene una cierta cantidad de potasio pero no de argón. Con el tiempo y las desintegraciones del potasio 40, los átomos de argón gaseoso se acumulan muy lentamente en la lava, donde quedan atrapados. La medición de la cantidad de argón 40 formada desde la solidificación de la lava permite medir con precisión la edad de la roca.
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